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Rev. Energ. Ren. : Physique Energétique (1998) 33 - 38 33 Etude et Réalisation

Rev. Energ. Ren. : Physique Energétique (1998) 33 - 38 33 Etude et Réalisation d’un Capteur Solaire à Air D. Semmar *, S. Betrouni ** et D. Lafri * * Centre de Développement des Energies Renouvelables, B.P, 62, Route de l’Observatoire, Bouzaréah, Alger ** Institut de Mécanique, Université de Blida, B.P, 270, Blida Résumé – Le présent travail porte sur l’étude et la conception d’un capteur solaire à air destiné à la production d’air chaud. Pour effectuer ce travail, on a adopté une approche théorique qui consiste à simuler ce comportement par un programme informatique utilisant un modèle mathématique où tous les paramètres caractérisant la performance du système sont évaluées instantanément durant la période d’ensoleillement. La partie expérimentale consiste à la réalisation du modèle considéré. Enfin une interprétation des résultats obtenus est donnée pour valider le modèle utilisé. Abstract – This work deals with the air solar flat plate collector design intended for the hot air production. To perform this work, one has adopted a theoretical approach that consists in the simulation of this behaviour by a program using a mathematical model where all the parameters characterizing the system performance evaluated instantaneously during the radiation period. The experimental part consists of the realization of the model considered. Finally, the comparison of the result has been done so that to confirm the theoretical model. Mots clés : Energie solaire - Transferts de chaleur - Convection naturelle - Convection mixte - Capteur solaire à air - Pertes de charge - Séchage. 1. INTRODUCTION Les capteurs à air peuvent être utilisés dans beaucoup d’applications nécessitant des températures basses et modérées, telles que le chauffage des locaux, le séchage des produits agricoles, le séchage du bois, le séchage des briques, etc. Fig. 1 : Schémas de quelques capteurs plans à air R : Rayonnement incident ; T : Plaque transparente A : Plaque absorbante ; I : Isolant thermique ; F : Ecoulement d’air L’utilisation de l’air comme fluide caloporteur a été peu entreprise vu ses faibles caractéristiques de transfert de chaleur. Ce travail permet le développement de nouveaux dispositifs d’utilisation de l’énergie solaire thermique exploitant ce fluide et de donner des informations importantes pour le développement économique de ce processus. Plusieurs travaux sont à l’origine de nombreuses études, tant numériques qu’expérimentales [1 – 5] etc. Les conclusions de ces études permettent ainsi de définir un certain nombre de règles et de critères pour les systèmes utilisant l’air comme fluide caloporteur. La figure 1 représente quelques schémas de collecteurs plans à air avec différentes dispositions de l’absorbeur. 2. MODELISATION MATHEMATIQUE Le capteur choisi pour notre étude est représenté en figure 2. Le capteur reçoit un éclairement global (direct et diffus) mais celui-ci n’est pas totalement récupéré dû aux pertes thermiques. 2.1 Pertes globales d’énergies Les pertes thermiques sont dues à la différence de température entre l’absorbeur et le milieu ambiant. Elles se divisent en trois catégories: pertes vers l’avant, pertes vers l’arrière et pertes latérales. D. Semmar et al. 34 Fig. 2 : Schématisation du collecteur plan à air R : Rayonnement incident ; T : Plaque transparente A : Plaque absorbante ; I : Isolant thermique ; F : Ecoulement d’air Fig. 3 : Schéma thermoélectrique relatif au capteur à air Pour évaluer toutes ces pertes, on adopte les hypothèses suivantes : • régime quasi-stationnaire; • résistance de la vitre à la conduction négligeable; • conduction dans l’absorbeur négligeable; • température d’entrée du fluide et température ambiante confondue. Afin de faciliter l’évaluation des pertes thermiques, on établit le schéma thermoélectrique du capteur représenté en figure 3. 2.1.1 Coefficient de pertes thermiques vers l’avant du capteur A l’avant du capteur, entre la couverture transparente et l’ambiance, on enregistre des dettes par convection et par rayonnement, qui peuvent être déterminées comme suit : • Coefficient d’échange par convection entre le vitrage et l’air ambiant dû au vent : vent cve V 86 , 3 67 , 5 h + = • Coefficient d’échange par rayonnement entre le vitrage et le ciel : ( ) ( ) ( ) ( ) amb v ciel v 2 v 2 ciel v ciel v rve T T T T . T T . T T . h − − + + σ ε = La température du ciel est donnée par : ( ) 5 , 1 amb ciel T . 0522 , 0 T = • Coefficient d’échange par convection entre le vitrage et l’absorbeur : b K . Nu h air cav = avec :         +         +         β − + = 2 Y Y . 2 X X . cos . Pr . Gr 1708 1 . 44 , 1 1 Nu où : β β − = cos . Pr . Gr ) 8 , 1 ( sin 1708 1 X ( ) 5830 cos . Pr . Gr Y 3 / 1 β = • Coefficient d’échange par rayonnement entre le vitrage et l’absorbeur : ( )( ) 1 1 1 T T T T h v p 2 v 2 p v p rva − ε + ε + + σ = SIPE : Etude et Réalisation d’un Capteur… 35 Le coefficient de pertes thermiques global vers l’avant du capteur sera donné par la relation suivante : rav cav rve cve av h h 1 h h 1 1 U + + + = Cette procédure de calcul, étant très complexe, Duffie et Beckman donnent une relation empirique formulée par Klein, permettant le calcul de Uav pour des températures comprises entre 0° et 200°C, avec nue précision de 0.3 [W/m2°C]. Donc, Uav devient : ( ) ( ) ( ) S h . N . 00591 , 0 T T . T T . h 1 f N T T . T C 1 U 1 cve p 2 amb 2 p amb p 1 cve 2 amb p p av + + ε + + σ +                 +         + − = − − N 1 1333 , 0 f N . 2 S v p − ε − ε − + = où : ( ) ( ) N . 07866 , 0 1 . . h . 1166 , 0 h 089 , 0 1 f p cve cve + ε − + = ( ) ° ≤ β ≤ ° β − = 70 0 pour . 000051 , 0 1 520 C 2 ° ≤ β ≤ ° ° = β = 90 70 pour 70 C 2.1.2 Coefficient de pertes thermiques vers l’arrière du capteur Ce coefficient est peu important que celui d’avant, vue que le capteur est très bien isolé à l’arrière. L’expression évaluant ce coefficient est donnée par : is is arr E K U = où : Kis : Coefficient de conductivité thermique de l’isolant, Eis : Epaisseur de l’isolant. 2.1.3 Coefficient de pertes thermiques latérales La valeur de ce coefficient est inférieure à celle du coefficient de pertes arrière, vue que la surface latérale du capteur est peu importante. Il est exprimé par : c lat is is arr A A . E K U = où : Alat : Aire latérale du capteur ; Ac : Aire du capteur Le coefficient de pertes thermiques global vers l’extérieur est la somme des trois coefficients précédents déterminés : lat arr av T U U U U + + = 2.2 Equations régissant le transfert de chaleur dans le capteur Notre étude s’est portée sur le modèle de collecteur représenté par la figure ci-dessous : Fig. 4 : Schéma du collecteur solaire à air Afin d’établir les équations régissant le transfert d’énergie dans le capteur, on a procédé par élément : a- Plaque absorbante : Cette équation exprime la relation entre la puissance reçue pas l’absorbeur et celle dégagée par ce dernier, soit par convection entre l’air et l’absorbeur ou par rayonnement entre l’absorbeur et la couche isolante : ( ) ( ) ( ) ( ) i p r mf p 1 amb p av eff T T h T T h T T U I G − + − + − = α τ D. Semmar et al. 36 b- Fluide caloporteur : Le fluide caloporteur, qui est l’air emprunte une certaine énergie, lors de son passage dans la gaine, par convection, d’une part de la plaque absorbante et d’autre part de l’isolant, ce qui lui permet d’emmagasiner une chaleur dite: ‘utile’ Qu : ( ) ( ) x d T d C m Q T T h T T h p u mf i 2 mf p 1 = = − + − c- Plaque postérieure : La plaque postérieure couverte par une couche d’isolant thermique, reçoit de l’énergie par rayonnement provenant de la plaque uploads/Litterature/ sipe-6 1 .pdf